20. Februar 2018

Smartes Glas


				
					Flachglas

Die Entwicklung von Flachglas ist längst nicht ausgereizt. Weltweit treiben Forscher mit Hilfe von optischen Technologien die Entwicklung smarter Gläser voran.

Glas, dessen Transparenz sich durch Anlegen von elektrischer Spannung variieren lässt, gibt es von diversen Herstellern. Zwei Forscherteams der US-Universitäten Delaware und Pittsburgh gehen nun neue, voraussichtlich sehr viel kostengünstigere Wege.

Die Forschergruppe aus Pittsburgh setzt auf mikrostrukturiertes Glas. Im reaktiven Ionenätzverfahren legen sie Strukturen frei, die an Grashalme erinnern. Dabei dienen winzige Polymerpartikel auf der Oberfläche als Schablone. „Nanogras-Glas“ nennen sie das Resultat ihres Prozesses. Die Länge der Halme dieser gläsernen Grasmatte ist über die Dauer des Ätzvorgangs steuerbar. In Messungen per Spektrophotometer im UV-, sichtbaren (VIS-) und Nahinfrarot-(NIR)-Lichtbereich zeigen sie, dass die Struktur mit 2,5 Mikrometer langen und wenige hundert Nanometer dünnen Halmen bei rund 97,5-prozentiger Eintrübung 93,5 Prozent des einfallenden Lichts durchlässt.

Die Struktur streut Licht nur so stark, solange sie trocken liegt. Wird sie dagegen mit Wasser, Aceton oder Methylbenzol geflutet – die jeweils einen ähnlichen Brechungsindex wie Glas haben – wird das trübe Glas klar. Gruppenleiter Paul W. Leu sieht künftige Anwendungen im Bereich smarter Fenster, die bei Bedarf binnen Sekunden blickundurchlässig schaltbar wären. Auch zur Effizienzsteigerung von Photovoltaikzellen und LED sei „Nanogras-Glas“ interessant. Einerseits biete die starke Streuung des Lichts Vorteile, andererseits die selbstreinigenden Eigenschaften der Mattenstruktur.

Mit Flüssigkeit schaltbare Gläser

Ein Team der University of Delaware setzt ebenfalls auf die Idee, die Transparenz von Glas mithilfe von Flüssigkeit zu beeinflussen. Allerdings arbeiten die Forscher um Keith Goosen und Daniel Wolfe mit einer zusätzlichen, lichtreflektierenden Kunststoffschicht. Das Design dieser Schicht haben sie in ihrem Projekt im 3D-Druck optimiert. Vorteil: Sie mussten anders als im Kunststoffspritzguss nicht für jede Veränderung eine neue Form anfertigen. Das Resultat ist eine wabenartige Struktur, die Licht im trockenen Zustand exakt die Richtung reflektiert, aus der es kam. Wird hingegen Methalsalicylat in die Waben gepumpt, dessen Brechungsindex dem verwendeten Kunststoff nahe kommt, wird auch diese Struktur klar und durchsichtig. Je nach Schaltzustand liegt die Transmission des smarten Glases aus Delaware zwischen acht und 85 Prozent.

Die Forscher erwarten, dass ihr schaltbares Glas ein Zehntel dessen kosten wird, was Kunden bisher für elektrisch schaltbare Gläser bezahlen. Das liege auch daran, dass die am 3D-Drucker entwickelte Struktur für kommerzielle Einsätze im Spritzguss produzierbar ist. Mögliche Anwendungen: Fenster und Dächer von Gebäuden, die das Sonnenlicht im Sommer von der Erde weg reflektieren und es im Winter durchlassen, oder auch Autofenster, die ein Aufheizen des Fahrzeugs im Sommer verhindern.

Individuell geformte Architekturgläser

In eine ganz andere Richtung weisen Forschungen des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg. Auch hier geht es um smartes Flachglas, allerdings um dessen Formgebung. Die Forscher setzten dafür auf eine Kombination aus Ofen, Laser und Schwerkraft. Im Ofen erhitzen sie Flachglas bis in den Temperaturbereich knapp bevor es zähflüssig wird. Auf das erhitzte Glas lenken sie dann über ein Scannersystem den Strahl eines leistungsstarken CO2-Lasers. An den getroffenen Stellen wird das Glas weich und beginnt, sich unter der Schwerkraft der restlichen Scheibe zu biegen.

Die IWM-Forscher haben das neue Biegeverfahren so weit optimiert, dass sie den Laserprozess vorab exakt programmieren können: Anhand der gewünschten Geometriedaten berechnen sie, wo der Laser das vorgeheizte Glas wie lange, wie oft und mit welcher Leistung erhitzen soll. Das vollautomatisierte, computergesteuerte Laserbiegeverfahren erlaubt es, individuelle Glasobjekte in kleiner Stückzahl und sogar Einzelstücke wirtschaftlich produzieren. Nach Angaben von Tobias Rist, dem verantwortlichen IWM-Gruppenleiter, dauert der Gesamtvorgang etwa 30 Minuten - wobei das geformte Glas im Sinne maximaler Produktivität außerhalb des Ofens abkühlt, während schon die Formgebung der nächsten Glasscheibe beginnen kann.

 
 
 
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